Электромагнитная индукция генератор постоянного тока

ЧТО ТАКОЕ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

Генератор постоянного тока предназначен для преобразования кинетической энергии в электрическую. Используется в качестве источника электроэнергии в тепловозах, автомобилях, промышленных установках и т.д.

Представляет собой обратимую электрическую машину. В зависимости от схемы подключения может работать как генератор или как электродвигатель.

Принцип действия генератора постоянного тока основан на физическом явлении электромагнитной индукции. Заключается в том, что если проводник передвигается в магнитном поле, в нем возникает электрический ток. Такой ток называется индукционным.

Схематично это явление можно описать следующим образом. Если проводник, например, медную проволоку в виде рамки поместить между двумя полюсами подковообразного магнита, он будет находиться в постоянном магнитном поле.

Затем начнем вращать эту рамку. В процессе вращения она будет пересекать магнитный поток. Вследствие этого, внутри проволоки индуцируется электродвижущая сила э.д.с.

Если концы этой рамки соединить, то под воздействием э.д.с., потечет индукционный ток. Если включить в эту цепь амперметр, он покажет наличие в ней тока. Это и есть самый простой макет генератора.

Для того, чтобы подключить рамку к электрической цепи, ее крепят к полукольцам. Две щетки контактируют с вращающимися полукольцами поочередно, и через них индукционный ток поступает далее в электрическую цепь. Полукольца устанавливают на оси, вокруг которой вращается рамка. Это упрощенная схема коллектора.

Когда рамка переходит через горизонтальное положение (нейтраль), щетки одновременно переключаются с одного полукольца на второе. В этот момент стороны рамки магнитных силовых линий не пересекают. В таком положении э.д.с. и, соответственно, ток равны 0. Благодаря этому переключение щеток не сопровождается искрением.

На величину электродвижущей силы влияют следующие факторы:

• длина проволоки;
• величина индукции магнитного поля;
• частота вращения.

Величина э.д.с. (Е) меняется по синусоидальной траектории, с пиками при прохождении рамкой вертикальных положений. В эти моменты она перпендикулярно пересекает максимум силовых линий. Нулевые значения отмечаются при прохождении нейтрали. После ее пересечения э.д.с. меняет свое направление.

В свою очередь, коллектор, чередуя каждые пол оборота полукольца на щетках, выпрямляет переменную э.д.с. На выходе получается пульсирующий, в виде выпрямленной синусоиды, постоянный ток.

КАК НА ВЫХОДЕ ПОЛУЧАЕТСЯ ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Для того, чтобы можно было пользоваться генератором, как источником энергии, ток нужно сгладить. Если увеличить количество рамок до двух и расположить их перпендикулярно друг другу. Тогда пиковые значения Е и, соответственно, тока будут возникать уже каждые четверть оборота.

Если их соединить последовательно, индуцируемый ток будет суммироваться. А его выходная характеристика будет иметь вид двух, смещенных между собой на четверть периода выпрямленных синусоид. Пульсация значительно уменьшится.

Если количество последовательных рамок еще увеличивать, тогда значение тока будет все больше приближаться к идеальной прямой. Кроме того, величина электродвижущей силы напрямую зависит от длины проводника. Поэтому количество рамок делают большим, а их совокупность и составляет обмотку вращающейся части генератора — якоря.

Для последовательного соединения витков обмотки, конец предыдущего нужно соединить с началом следующего. Делают это на полукольцах или, как их называют, пластинах. Их количество будет равняться количеству витков.

Другим фактором, влияющим на величину Е, является сила магнитного поля. Индукция магнитного потока обычного магнита слишком маленькая, а потери в среде между двумя полюсами наоборот очень большие.

Для решения первой проблемы вместо постоянного магнита используют гораздо более сильный электромагнит. Для решения второй проблемы сердечник якоря выполняют из стали. Также уменьшают до самого минимума зазор между якорем генератора и полюсами электромагнита.

Ток, протекающий в якоре, образуют своего рода электромагнит, и создает свое магнитное поле. Это явление называется реакция якоря. В нем также возникает реактивная э.д.с. Вместе они искажают магнитное поле. Чтобы это скомпенсировать, устанавливаются добавочные полюса. Они включаются в цепь якоря и полностью перекрывают это негативное воздействие.

По источнику тока возбуждения генераторы бывают:

• с независимым возбуждением;
• с самовозбуждением.

Необходимый для работы генератора магнитный поток создается благодаря току, проходящему через обмотки главных полюсов. Этот ток называется током возбуждения. При независимом возбуждении обмотка питается от аккумулятора или другого источника питания. При самовозбуждении питается током якоря.

Благодаря тому, что сердечники полюсов обладают остаточным магнетизмом, они создают небольшой магнитный поток. Если якорь начинает вращаться, этого потока достаточно для появления в витках якоря небольшого индукционного тока.

Этот ток, попадая в обмотку возбуждения полюсов, усиливает рабочий магнитный поток. Это приводит к увеличению тока в якоре и происходит цепная реакция. Таким образом, генератор быстро выходит на расчетную мощность.

По схеме подключения обмотки якоря к обмотке возбуждения генераторы с самовозбуждением делятся на три типа:

• с параллельным возбуждением;
• с последовательным возбуждением;
• со смешанным возбуждением.

Схема возбуждения влияет на характеристики генератора и особенности его применения. Основным его параметром является внешняя характеристика, выражающая зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки при заданной частоте вращения и параметрах возбуждения. Также к основным характеристикам относится мощность и КПД, который достигает 90-95%.

УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Генератор состоит из двух частей:

• подвижная вращающаяся часть якорь;
• неподвижная – статор.

Статор состоит из станины, магнитных полюсов, подшипникового щита с подшипниками. Станина — это несущая часть генератора, на которой размещены все его части. Внутри установлены полюсы с сердечниками и обмотками возбуждения. Изготавливается из ферромагнитных материалов.

Ротор или якорь состоит из сердечника, вала, коллектора и вентилятора. В качестве опоры для якоря используются подшипники, установленные на боковых подшипниковых щитах статора.

Преимущества и область применения.

Генераторы постоянного тока обладают следующими достоинствами:

• простота конструкции, компактность;
• надежность;
• экономичность;
• обратимость, то есть возможность использования в качестве электродвигателя;
• практически линейная внешняя характеристика.

Недостатки:

• высокая стоимость;
• ограниченный срок службы щеточно-коллекторного узла.

Используются в различных отраслях производства, в строительстве, в промышленных установках, сварочном оборудовании, в машиностроении, на предприятиях металлургической промышленности, в автомобильном, железнодорожном, воздушном и морском, транспорте.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Генератор постоянного тока.

Давайте разберем принцип действия генератора постоянного тока, познакомимся с его конструктивными особенностями и принципом действия.

Генератор постоянного тока работает основываясь на использовании закона электромагнитной индукции. Согласно этому закону, в проводнике, который движется в магнитном поле и пересекает магнитный поток, индуцируется ЭДС.

Магнитопровод по которому замыкается магнитный поток является одной из основных частей генератора постоянного тока.

Магнитная цепь генератора постоянного тока (изображен на рисунке 1) состоит из неподвижной части — статора (1) и вращающейся части — ротора (4).

Статор представляет собой стальной корпус, к которому присоединены остальные детали машины, в том числе магнитные полюсы (2). На магнитные полюсы насажена обмотка возбуждения (3), которая питается постоянным током и создает основной магнитный поток Ф0.

Магнитная цепь генератора постоянного тока с четырьмя полюсами.

Листы, из которых собирается магнитная цепь ротора: а — с открытыми пазами, б — с полузакрытыми пазами

Ротор машины собирают из штампованных стальных листов с пазами по окружности и с отверстиями, предназначенными для вала и вентиляции. Рабочая обмотка генератора постоянного тока вставляется в пазы ротора (5 на изображении 1). Этой обмоткой индуцируется ЭДС основным магнитным потоком. Обмотку также называют обмоткой якоря, поэтому ротор генератора постоянного тока принято называть якорем.

Значение ЭДС генератора постоянного тока может изменяться, но ее полярность остается величиной постоянной. Принцип действия генератора постоянного тока изображен на рисунке 3.

Магнитный поток создается полюсами постоянного магнита. Допустим, обмотка якоря состоит из одного витка, у которого концы присоединены к различным полукольцам, находящимся в изоляции друг от друга. Из этих полуколец формируется коллектор, совершающий вращения вместе с витком обмотки якоря. Одновременно с этим вдоль коллектора двигаются неподвижные щетки.

При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется ЭДС: e = B*l*v

• где В — магнитная индукция, l — длина проводника, v — его линейная скорость.

При совпадении плоскости витка с плоскостью осевой линии полюсов (при этом виток расположен вертикально), проводники пересекают максимальный магнитный поток. В это время в них индуцируется максимальный показатель ЭДС. В том случае когда виток принимает горизонтальное положение, ЭДС в проводниках равна нулю.

В проводнике направление ЭДС определяется по правилу правой руки (на рисунке 3 оно показано в виде стрелок). Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление ЭДС в нем меняется на обратное. Но поскольку коллектор вращается вместе с витком, а щетки неподвижны, то к верхней щетке всегда присоединен проводник, который находится под северным полюсом, ЭДС которого направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению ЭДС на щетках — е (рисунок 4).

Простейший генератор постоянного тока.

Изменение во времени ЭДС простейшего генератора постоянного тока.

Несмотря на то что ЭДС простейшего генератора постоянного тока постоянна в направлении, по своему значению она изменяется. Поскольку за один оборот витка ЭДС принимает 2 раза значение равное нулю и 2 раза максимальное. Для большинства приемников постоянного тока ЭДС с такой большой пульсацией непригодна и, строго говоря, ее нельзя назвать постоянной.

Чтобы уменьшить пульсацию, обмотку якоря генератора постоянного тока делают из большого числа витков (катушек), а коллектор из большого числа коллекторных пластин, которые изолированы друг от друга.

Для того чтобы рассмотреть подробнее процесс сглаживания пульсаций возьмем в качестве примера обмотку кольцевого якоря (рисунок 5). Она состоит из четырех катушек (1, 2, 3, 4), по два витка в каждой. Якорь двигается по направлению часовой стрелки с частотой n и в проводниках обмотки якоря, которые расположены на внешней стороне якоря, индуцируется ЭДС (направление движения указано стрелками).

Обмотка якоря представляет собой замкнутую цепь, которая состоит из последовательно соединенных витков. При этом обмотка якоря относительно щеток представляет собой две параллельные ветви. На рисунке 5а одна параллельная ветвь состоит из катушки 2, вторая из катушки 4 (в катушках 1 и 3 ЭДС не индуцируется, и они обеими концами соединены с одной щеткой). На рисунке 5б якорь изображен в положении, которое он занимает через 1/8 оборота. В этом положении одна параллельная ветвь обмотки якоря состоит из последовательно включенных катушек 1 и 2, а вторая из последовательно включенных катушек 3 и 4.

Схема простейшего генератора постоянного тока с кольцевым якорем.

При вращении якоря по отношению к щеткам каждая катушка имеет постоянную полярность.

На рисунке 6а показано как при вращении якоря изменяется ЭДС катушек во времени. ЭДС на щетках равна ЭДС каждой из параллельных ветвей обмотки якоря.

Из рисунка 5 видно, что ЭДС параллельной ветви равна или сумме ЭДС двух соседних катушек или ЭДС одной катушки:

Как результат этого, заметно уменьшаются пульсации ЭДС обмотки якоря (рисунок 6б). А значит увеличивая количество витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную ЭДС обмотки якоря.

Изменение во времени ЭДС катушек и обмотки кольцевого якоря.

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался единственным альтернативным источником электроэнергии. Довольно скоро на смену этим генераторам пришли более совершенные и надежные трехфазные генераторы. В некоторых отраслях промышленности постоянный ток продолжал оставаться популярным, и устройства для его поколения совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда были изобретены мощные выпрямительные устройства, значение генераторов постоянного тока не потеряло своей актуальности. Они используются, например, для питания линий электропередач в городском электротранспорте, трамваях и троллейбусах. Такие генераторы до сих пор используются в телекоммуникационных технологиях в качестве источников постоянного тока в цепях низкого напряжения.

Устройство и принцип работы

Генератор основан на принципе электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при его вращении магнитный поток изменится на противоположный (см. Рис. 1). По закону электромагнитной индукции ЭДС индуцируется в момент пересечения. Электродвижущая сила увеличивается по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору подключить нагрузку R (два желтых полукольца на рисунке), то по созданной цепи будет протекать ток.

По мере того, как повороты рамки покидают зону магнитного потока, ЭДС ослабевает и достигает нуля, когда рамка горизонтальна. По мере того как контур продолжает вращаться, противоположные стороны контура меняют свою магнитную полярность: часть кадра, которая была ниже Северного полюса, занимает положение над Южным полюсом.

Значения ЭДС в каждой активной обмотке цепи задаются формулой: e1 = Blvsinwt; e2 = -Blvsinwt; , где B — магнитная индукция, l — длина стороны рамки, v — линейная скорость вращения контура, t — время, t — угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

Когда полюса меняются местами, направление тока меняется. Однако из-за того, что коллектор вращается синхронно с рамой, ток нагрузки всегда направлен в одном направлении. Это означает, что обсуждаемая модель производит электричество непрерывно. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinwt, что означает, что ее изменение подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, такая конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет ЭДС пульсации. Поэтому график генерируемого тока такой, как показано на рис.2.

Такой ток, за исключением редких случаев, непригоден. Нам нужно сгладить неровности до приемлемого уровня. Это достигается за счет увеличения количества полюсов постоянных магнитов, а вместо простого каркаса используется более сложная конструкция — арматура, с большим количеством обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. Рис. 3). Причем обмотки подключаются по-разному, о чем будет сказано ниже.

Фурнитура изготовлена ​​из листовой стали. В сердечниках якоря имеются прорези, в которые помещается несколько витков провода, образующих рабочую обмотку ротора. Провода в пазах соединены последовательно с образованием катушек (секций), которые, в свою очередь, образуют замкнутую цепь через пластины коллектора.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, вращаются ли обмотки цепи или сам магнит. Поэтому на практике якоря маломощных генераторов изготавливаются из постоянных магнитов, а возникающий переменный ток выпрямляется диодными мостами и другими цепями.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, вращаются ли обмотки цепи или сам магнит. Поэтому на практике якоря маломощных генераторов изготавливаются из постоянных магнитов, а возникающий переменный ток выпрямляется диодными мостами и другими цепями.

И наконец: если на коллектор подается постоянное напряжение, генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронного двигателя.

Структура двигателя (он же генератор) очевидна на рисунке 4. Неподвижный статор состоит из двух полюсных сердечников.изготовлены из ферромагнитных пластин и последовательно соединенных обмоток возбуждения. Кисти выровнены друг с другом. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Классификация

Есть два типа генераторов постоянного тока:

• независимое возбуждение обмоток;
• самопробуждение.

Электроэнергия, вырабатываемая самим устройством, используется для самовозбуждения генераторов. По принципу соединения обмоток якоря генераторы с самовозбуждением делятся на следующие типы:

• Устройства с параллельным возбуждением;
• генераторы переменного тока с последовательным возбуждением;
• устройства смешанного типа (комбинированные генераторы).

С параллельным возбуждением

Рассмотрим подробнее особенности каждого типа соединения обмоток якоря.

Для обеспечения нормальной работы электроприборов необходимо стабильное напряжение на выводах генератора, независимо от изменения общей нагрузки. Эта проблема решается регулировкой параметров возбуждения. В генераторах переменного тока с параллельным возбуждением выводы катушки подключаются через регулирующий реостат параллельно обмотке якоря.

Полевые реостаты могут блокировать намотку поля на себя. В противном случае при разрыве цепи возбуждения резко возрастет самоиндукция ЭДС в обмотке, что может привести к разрыву изоляции. В состоянии короткого замыкания энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая повреждение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не требуют внешнего источника питания. Из-за остаточного магнетизма, всегда присутствующего в сердечнике электромагнита, параллельные обмотки самовозбуждаются. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов изготовлены из литой стали.

С независимым возбуждением

Процесс возбуждения продолжается до тех пор, пока ток не достигнет предельного значения и ЭДС не достигнет номинального значения при оптимальной скорости вращения якоря.

Преимущество: генераторы, возбуждаемые параллельно, не подвергаются токам короткого замыкания.

Батареи или другие внешние устройства часто используются в качестве источника питания для обмоток возбуждения. В машинах малой мощности используются постоянные магниты, обеспечивающие наличие основного магнитного потока.

С последовательным возбуждением

У мощных генераторов переменного тока есть возбудитель на валу, который производит постоянный ток, возбуждающий обмотки основного корпуса. Возбуждения достаточно для 1–3% номинального тока якоря и не зависит от тока якоря. Изменчивость ЭДС управляется регулируемым реостатом.

Преимущество независимого возбуждения заключается в том, что ток возбуждения не зависит от напряжения на клеммах. Это обеспечивает хорошие внешние характеристики генератора.

Со смешанным возбуждением

Последовательные обмотки производят ток, равный току генератора. Поскольку на холостом ходу нагрузка равна нулю, возникает нулевое возбуждение. Это означает, что характеристика холостого хода не может быть удалена, т.е. отсутствует характеристика регулирования.

В генераторах переменного тока с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, когда ротор работает на холостом ходу. Чтобы инициировать процесс возбуждения, к клеммам генератора необходимо подключить внешнюю нагрузку. Эта четкая зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Эти устройства можно использовать только для питания электрических устройств с постоянной нагрузкой.

Конструкции генераторов смешанного возбуждения сочетают в себе полезные свойства. Их характеристики: эти устройства имеют две катушки — основную, включенную параллельно обмотке якоря, и вспомогательную, включенную последовательно. В цепь параллельной обмотки включен реостат для регулирования тока возбуждения.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Процесс самовозбуждения генератора переменного тока со смешанным возбуждением аналогичен процессу самовозбуждения генератора переменного тока с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка не участвует в самовозбуждении). Характеристики холостого хода такие же, как у генератора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжение на клеммах генератора.

• Смешанное возбуждение сглаживает пульсации напряжения наноминальная нагрузка. Это главное преимущество генератора этого типа перед другими типами генераторов. Недостаток — сложность конструкции, что приводит к удорожанию этих устройств. Такие генераторы также отказоустойчивы.
• Работа генератора характеризуется соотношением основных величин, которые называются его характеристиками. Основные характеристики:
• отношения между величинами при работе на холостом ходу;
• характеристики внешних параметров;
• нормативные значения.

Некоторые нормативные особенности и зависимости работы без нагрузки частично раскрыты в главе «Классификация». Кратко рассмотрим внешние характеристики, соответствующие работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как показывает зависимость напряжения от нагрузки и снимается при стабильной скорости вращения якоря.

Внешние характеристики генератора постоянного тока Это зависимость напряжения от нагрузки (см. Рис. 5). Как видно из диаграммы, падение напряжения наблюдается, но не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости вращения двигателя якоря).

Отношение напряжения к нагрузке более выражено для генераторов переменного тока с параллельным возбуждением (см. Рисунок 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше ток нагрузки, тем более резким будет падение напряжения на клеммах генератора. В частности, по мере того, как сопротивление постепенно падает до уровня неисправности, напряжение упадет до нуля. Однако резкое короткое замыкание в цепи вызывает реверс генератора и может иметь катастрофические последствия для электрической машины этого типа.

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении увеличивает ЭДС. (см. верхнюю кривую на рисунке 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстает от ЭДС, поскольку некоторая энергия теряется на электрические потери из-за вихревых токов.

Обратите внимание, что когда напряжение достигает своего максимума, оно начинает резко падать по мере увеличения нагрузки, хотя кривая ЭДС все еще имеет тенденцию к росту. Такое поведение является недостатком, который ограничивает использование этого типа генератора переменного тока.

В генераторах переменного тока со смешанным возбуждением обе катушки, включенные последовательно и параллельно, имеют встречные соединения. Результирующая намагничивающая сила в случае согласованного возбуждения равна векторной сумме сил намагничивания этих обмоток, а в случае двухтактного возбуждения — разности этих сил.

В процессе плавного увеличения нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня напряжение на выводах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Повышение напряжения наблюдается, когда количество проводов последовательной обмотки превышает количество витков, соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим количеством витков в последовательной обмотке показано на кривой 3. Противоположная обмотка показана на кривой 4.

Реакция якоря

Генераторы противотока используются, когда необходимо ограничить токи короткого замыкания, например, в сварочных аппаратах.

В случае нормально возбужденного смешанного типа ток возбуждения постоянен и почти не зависит от нагрузки.

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, токи в обмотках генератора создают собственное магнитное поле. Это создает магнитное сопротивление между полями статора и ротора. Результирующее поле сильнее там, где якорь сталкивается с полюсами магнита, и слабее, когда он убегает от полюсов магнита. Другими словами, якорь магнитно реагирует, пропитывая сталь сердечников катушки. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения катушек. В результате этой реакции щетки на пластинах коллектора начинают сверкать.

Мощность

Отклик якоря можно уменьшить, используя дополнительные магнитные полюса или перемещая щетки за среднюю линию геометрического нейтрального полюса.

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активныхколичество проводников в обмотке и скорость вращения якоря. Увеличивая или уменьшая эти параметры, можно управлять ЭДС и, следовательно, напряжением. Самый простой способ добиться желаемого результата — отрегулировать скорость клапана.

Различают полную мощность и полезную мощность генератора. Полная мощность пропорциональна силе тока при постоянной ЭДС: P = EIa. Полезная мощность, подаваемая в схему, равна P1 = UI.

Применение

Важной особенностью генератора переменного тока является его КПД — отношение полезной мощности к полной мощности. Обозначим это значение символом ηe. Тогда: ηe = P1 / P.

На холостом ходу ηe = 0. Максимальный КПД достигается при номинальных нагрузках. КПД генераторов большой мощности близок к 90%.

До недавнего времени использование генераторов постоянного тока на железнодорожном транспорте не имело альтернативы. Однако процесс замены этих генераторов на трехфазные синхронные устройства уже начался. Синхронный переменный ток генератора выпрямляется с помощью выпрямительных полупроводниковых блоков.

В некоторых российских локомотивах нового поколения уже используются асинхронные двигатели переменного тока.

Устройство автомобилей

Генераторные установки

Генераторная установка, или, как ее обычно называют – генератор, является основным источником электрического тока на автомобиле. Следует отметить, что генераторная установка включает не только генератор, как таковой, но и его привод, а также устройства для регулирования и преобразования вырабатываемого напряжения.

Генераторами называют электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую. В принципе генераторами электрической энергии являются машины, преобразующие любой вид энергии – тепловую, ядерную, химическую, световую и т. д. в электрическую. Но традиционно сложилось так, что генераторами обычно называют машины, преобразующие механическую энергию движения в электроэнергию.
Чаще всего для такого преобразования в генераторах используют механическую энергию вращения одного из элементов конструкции, называемого якорем или ротором.
Принципиально возможно преобразование механической энергии поступательного движения какого-либо тела в электрическую энергию, но такой тип генераторов на практике не используется из-за сложности конструкции и малой эффективности.

Автомобильный генератор получает механическую энергию от коленчатого вала двигателя, с которым связан приводом, чаще всего — клиноременным или плоскоременным. Полученная в результате работы генератора электрическая энергия используется для питания электропотребителей автомобиля — системы зажигания, освещения и сигнализации, электрических приводов и контрольно измерительных приборов, компьютерных устройств и т. п., а также для зарядки аккумуляторной батареи.
Поскольку количество и суммарная мощность потребителей электроэнергии в современных автомобилях прогрессивно растет, используемые для получения электрической энергии генераторы обладают высокой мощностью, которая может достигать 1 кВт и даже более. Эту мощность генератор «отнимает» у двигателя, снижая его динамические и экономические показатели. Тем не менее, с такими потерями приходится мириться, поскольку современный автомобиль, даже дизельный, без электрической энергии далеко не уедет.

На автомобилях могут применяться генераторы постоянного или переменного тока.

История изобретения генератора

Работа генератора, преобразующего механическую энергию в электроэнергию, основана на явлении магнитоэлектрической индукции, которое обычно (и не совсем правильно) называют явлением электромагнитной индукции.
Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Практически это может быть достигнуто, например, перемещением металлической рамки в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом.
Явление было открыто и описано английским физиком Майклом Фарадеем (Michael Faraday, 1791–1867) в 1831 году.
Изучением природы электрических явлений при воздействии на проводник постоянным магнитом занимались многие ученые, однако Фарадей первым опубликовал свои опыты и сделал надлежащие выводы.

Анализируя результаты опытов по изучению электромагнитной индукции Фарадей обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле.
Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Возникновение ЭДС объясняется действием сил магнитного поля на находящиеся в проводниках свободные электроны, которые начинают направленно перемещаться, скапливаясь на одном из концов проводника. В итоге этого движения электронов на одном конце проводника возникнет отрицательный электрический заряд, а на другом конце — положительный.

Разность потенциалов на концах проводника численно равна индуцированной в проводнике ЭДС. Индуцирование ЭДС в проводнике происходит независимо от того, включен ли он в какую-либо электрическую цепь либо нет. Если присоединить концы этого проводника к какому-либо приемнику электрической энергии, то под воздействием разности потенциалов по замкнутой цепи потечет электрический ток.

Считается, что первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен в 1832 г. парижским изобретателем Ипполитом Пикси (Hippolyte Pixii, 1808–1835). Этот генератор годился лишь для демонстрационных целей, а не для практического использования, поскольку приходилось вручную вращать тяжёлый постоянный магнит, благодаря чему в двух проволочных катушках, укрепленных неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток.
В дальнейшем генератор Пикси был усовершенствован, и стал применяться в различных областях машиностроения.

Генераторы постоянного тока

До 60-х годов основным источником энергии автомобилей являлись генераторы постоянного тока, в которых, как и следует из названия, механическая энергия преобразуется в электрическую энергию постоянного тока.

Генератор постоянного тока состоит из статора — неподвижного корпуса с размещенными в нем электромагнитными элементами, вращающегося якоря с обмотками, и коллектора со щеточным узлом.
Якорь снабжен несколькими обмотками из токопроводящих катушек, которые при вращении якоря пересекают магнитное поле неподвижного статора, в результате чего в обмотках индуцируется электродвижущая сила — ЭДС.
Величина ЭДС в обмотках при вращении якоря постоянно изменяется по величине и по направлению в зависимости от положения катушек относительно магнитного поля статора.
Посредством коллекторного узла индуцируемая в обмотках статора ЭДС снимается в электрическую цепь для дальнейшей обработки и приведения к требуемым параметрам.

Принцип работы генератора постоянного тока основан на том, что если в постоянном магнитном поле вращать токопроводящую рамку с разомкнутыми концами, в ней индуцируется ЭДС, а на ее концах рамки появляется разность потенциалов.

Упрощенная схема генератора постоянного тока приведена на рис. 1.
В магнитном поле постоянного магнита вращается стальной цилиндрический сердечник, в продольных пазах которого размещен диаметральный виток abcd. Начало d и конец a этого витка присоединены к двум взаимно изолированным медным полукольцам, образующим коллектор, который вращается вместе со стальным сердечником.
По коллектору скользят неподвижные контактные щетки А и В, от которых отходят провода к потребителю энергии R. Стальной сердечник с витком (обмоткой) и коллектором образует вращающуюся часть генератора постоянного тока – якорь.

Если с помощью какой-либо внешней силы вращать якорь, то стороны витка будут пересекать магнитное поле, и в обмотках якоря будет возникать ЭДС, величина которой определяется по формуле:

где B – индукция; l – длина стороны витка; v – скорость перемещения пазовых сторон витка.

Так как длина и скорость перемещения пазовых сторон обмотки якоря неизменны, то ЭДС обмотки якоря прямо пропорциональна B, а форма графика ЭДС определяется законом распределения магнитной индукции B, размещенной в воздушном зазоре между поверхностью якоря и полюсом самого магнита. Так, например, магнитная индукция в точках зазора, лежащих на оси полюсов, имеет максимальные значения (рис. 2, а): под северным полюсом (N) – положительное значение и под южным полюсом (S) – отрицательное. В точках n и n’, лежащих на линии, проходящей через середину межполюсного пространства, магнитная индукция равна нулю.

Допустим, что магнитная индукция в воздушном зазоре рассматриваемой схемы распределяется синусоидально:

Тогда ЭДС витка при вращении якоря будет также изменяться по синусоидальному закону. Угол α определяет изменение положения якоря относительно исходного положения.

На рис. 2, а показан ряд положений витка abcd (обмотки) в различные моменты времени за один оборот якоря.
При α = 360˚ ЭДС якоря равна нулю, а при α = 270˚ — имеет максимальное значение, причем отрицательное.
Таким образом, в обмотке якоря генератора постоянного тока наводится переменная ЭДС, и, следовательно, при подключении нагрузки в обмотке будет действовать переменный ток (рис. 2, б – линия 1).

За время второго полуоборота якоря, когда ЭДС и ток в обмотке якоря отрицательны, ЭДС и ток во внешней цепи генератора (в нагрузке) не меняют своего направления, т. е. остаются положительными, как и в течение первой половины оборота якоря.

Действительно, при α = 90˚ щетка А соприкасается с коллекторной пластиной проводника d, расположенного под полюсом N, и имеет положительный потенциал, а щетка В – отрицательный, так как она соприкасается с пластиной коллектора, соединенной со стороной a витка, находящейся под полюсом S.

При α = 270˚, когда стороны a и d поменялись местами, щетки А и В сохраняют неизменной свою полярность, так как полукольца коллектора также поменялись местами и щетка А по-прежнему имеет контакт с коллекторной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полюсом N, а щетка В – с коллекторной пластиной, связанно со стороной, находящейся под полюсом S.
В результате ток во внешней цепи не изменяет своего направления (рис. 2, б – линия 2), т. е. переменный ток обмотки якоря с помощью коллектора и щеток преобразуется в постоянный ток.
Ток во внешней цепи постоянен лишь по направлению, а его величина изменяется, т. е. он пульсирует, как показано на графике рис. 2, б.

Пульсация тока и ЭДС значительно ослабляются, если обмотку якоря выполнить из большого числа равномерно расположенных и распределенных по поверхности сердечника витков и увеличить соответственно число коллекторных пластин.
Например, в двух витках на сердечнике якоря (четырех пазовых сторонах), оси которых смещены относительно друг друга на угол 90˚, и четырех пластинах в коллекторе (рис. 3, а).
В этом случае ток во внешней цепи генератора пульсирует с удвоенной частотой, но глубина пульсации значительно меньше (рис. 3, б). Если витков в обмотке якоря от 12 до 16, то ток на выходе из генератора практически постоянен.

На рис. 4 приведена конструкция генератора постоянного тока.

Электромагнитная индукция генератор постоянного тока

Генератор постоянного тока, принцип действия генератора постоянного тока, работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора

Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока на примере простейшей машины, изображенной на рис. 1.

Рис. 1. Простейшая машина постоянного тока

Магнитная система этой машины состоит из двух неподвижных полюсов N – S, создающих постоянный по величине магнитный поток. Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. По общему правилу линии магнитного потока в пространстве между полюсами N – S направлены от северного полюса N к южному полюсу S.

В пространстве между полюсами находится якорь, на поверхности которого в диаметральной плоскости уложен виток обмотки якоря ab – cd. Концы витка присоединяются к двум медным сегментам – пластинам коллектора, изолированным как друг от друга, так и от вала, на который они посажены вглухую. На пластины наложены неподвижные в пространстве щетки A и B, к которым присоединяется внешняя цепь, состоящая из каких-либо приемников электрической энергии. Расположение щеток не произвольно, а имеет существенное значение.

Приведем якорь во вращение с постоянной скоростью в заданном на­правлении, например, против вращения часовой стрелки. Так как проводники ab и cd находятся в совершенно одинаковых условиях один относительно по­люса N, другой относительно полюса S, то достаточно рассмотреть процесс наведения ЭДС только в каком-нибудь одном проводнике, например в проводнике ab. Предположим, что по всей длине активной части проводника, т. е. той части его, которая пересекает линии магнитного поля, индукция В имеет одно и то же значение. Если V — скорость перемещения проводника относительно магнитного поля, то по закону электромагнитной индукции в формулировке Фарадея мгновенное значение ЭДС, наводимой в проводнике при вращении якоря, определяется по формуле e = B·l·V. Величины l и V неизменны в данных условиях, следовательно, ЭДС e пропорциональна индукции B.

Таким образом, в рассматриваемых условиях характер изменения ЭДС в проводнике в зависимости от времени целиком определяется характером распределения магнитной индукции под полюсом.

Условимся называть линию, которая проходит через центр якоря точно посередине между полюсами N и S, геометрической нейтралью, а часть окружности якоря Т, соответствующую одному полюсу, – полюсным делением. Машина на рис. 1. имеет одну пару полюсов, т. е. два полюсных деления.

Распределение магнитной индукции реальной машины носит сложный характер. Но можно выделить первую или основную гармонику и с достаточ­ной степенью точности считать, что магнитная индукция распределяется под полюсами N и S синусоидально. В этом случае наводимая в проводнике ЭДС изменяется тоже синусоидально (рис. 2).

Рис. 2. Распределение магнитной индукции В под полюсами.

Изменение ЭДС во времени

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. Применив это правило, определим направление ЭДС в проводнике ab на рис. 1. Когда проводник проходит под северным полюсом, то в нем наводится ЭДС, направленная к нам из-за плоскости чертежа, а когда он проходит под южным полюсом, то в обратном направлении – от нас за плоскость чертежа. Таким образом, в проводнике ab наводится переменная во времени ЭДС, изменяющая свое направление два раза за один оборот якоря.

Время T, за которое происходит одно полное изменение ЭДС, называется периодом ЭДС. Число периодов в одну секунду называется частотой и измеряется в герцах (Гц). В общем случае, когда машина имеет p пар плюсов, частота наведенной ЭДС увеличивается пропорционально р, т.е.

где n – скорость вращения, измеряемая числом оборотов в минуту.

В обоих проводниках (ab и cd) вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины

Рассмотрим форму полной ЭДС якоря е_а. Из рис. 1. видно, что полпериода щетка А будет соприкасаться с коллекторной пластиной и соответственно с проводником ab, находящимся под северным полюсом. Вторую часть периода, когда виток повернется на 180°, щетка А будет соединена с проводником cd, находящимся также под северным полюсом, т. е. под полюсом той же полярности. Щетка А всегда соприкасается только с той пластиной, с которой соединен проводник, находящийся под северным полюсом; наоборот, щетка В соединяется только с тем проводником, который находится под южным полюсом. Следовательно, во внешней цепи ток будет протекать только в одном направлении, а именно, от щетки А к щетке В. Происходит выпрямление переменной ЭДС, наводимой в витке ab – cd, и переменного тока в пульсирующую ЭДС на щетках и пульсирующий ток во внешнем участке цепи (рис.3).

Рис. 3. Выпрямленные ЭДС и ток

Полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неиз­менными. Щетка А, от которой ток отводится во внешнюю цепь, считается положительной и обозначается «плюс», а щетка В считается отрицательной и обозначается «минус».

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Щетки необходимо установить на пластинах коллектора так, как показано на рис. 1. В этом случае в момент перехода щетки с одной коллекторной пластины на другую, когда виток замыкается накоротко, наводимая ЭДС равна нулю. Переменная ЭДС выпрямляется полностью, напряжение на щетках максимально.

На рис. 3. видно, что ток во внешней цепи изменяется от нуля до мак­симального значения, т. е. пульсации тока велики. Для уменьшения пульсаций тока следует на сердечнике якоря разместить несколько витков, равномерно распределенных по его окружности, и соответственно увеличить количество коллекторных пластин, т. е. применить более сложную по устройству обмотку якоря и соответственно более сложный коллектор.

Напряжение на зажимах генератора постоянного тока определяется вы­ражением

U_a – напряжение на зажимах обмотки якоря;

r_a – сопротивление обмотки якоря и щеток.

Из приведенного выражения видно, что напряжение на зажимах якоря U_a будет меньше ЭДС якоря Е_а на величину падения напряжения в сопротив­лении цепи обмотки якоря r_a.

Проводники обмотки якоря с током I_a находятся в магнитном поле, по­этому на них будут действовать электромагнитные силы (рис. 4)

Рис. 4. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора

Эти силы создают электромагнитный момент М_эм. Как видно из рис. 4, в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозным.

Электрический генератор

Основное оборудование электрических станций и подстанций

Электрический генератор — это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.

История изобретения генератора электрического тока

Русский ученый Э.Х.Ленц еще в 1833г. указал на обратимость электрических машин: одна и та же машина может работать как электродвигатель, если ее питать током, и может служить генератором электрического тока, если ее ротор привести во вращение каким-либо двигателем, например паровой машиной. В 1838г. Ленц, один из членов комиссии по испытанию действия электрического мотора Якоби, на опыте доказал обратимость электрической машины.

Первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен в 1832г. парижскими техниками братьями Пиксин. Этим генератором трудно было пользоваться, так как приходилось вращать тяжелый постоянный магнит, чтобы в двух проволочных катушках, укрепленных неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток. Генератор был снабжен устройством для выпрямления тока. Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Одной из таких машин, построенной в 1843г., был генератор Эмиля Штерера. У этой машины было три сильных подвижных магнита и шесть катушек, вращавшихся от рук вокруг вертикальной оси. Таким образом, на первом этапе развития электромагнитных генераторов тока (до 1851г.) для получения магнитного поля применяли постоянные магниты. На втором этапе (1851-1867гг.) создавались генераторы, у которых для увеличения мощности постоянные магниты были заменены электромагнитами. Их обмотка питалась током от самостоятельного небольшого генератора тока с постоянными магнитами. Подобная машина была создана англичанином Генри Уальдом в 1863г.

При эксплуатации этой машины выяснилось, что генераторы, снабжая электроэнергией потребителя, могут одновременно питать током и собственные магниты. Оказалось, что сердечники электромагнитов сохраняют остаточный магнетизм после выключения тока. Благодаря этому генератор с самовозбуждением дает ток и тогда, когда его запускают из состояния покоя. В 1866-1867гг. ряд изобретателей получили патенты на машины с самовозбуждением.

В 1870г. бельгиец Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине он использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, изобретенный еще в 1860 г.А.Пачинотти.

В одной из первых машин Грамма кольцевой якорь, укрепленный на горизонтальном валу, вращался между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив, обмотки электромагнитов были включены последовательно с обмоткой якоря. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводится с помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора. На Венской международной выставке в 1873г. демонстрировались две одинаковые машины Грамма, соединенные проводами длиной 1 км. Одна из машин приводилась в движение от двигателя внутреннего сгорания и служила генератором электрической энергии. Вторая машина получала электрическую энергию по проводам от первой и, работая как двигатель, приводила в движение насос. Это была эффектная демонстрация обратимости электрических машин, открытой Ленцем, и демонстрация принципа передачи энергии на расстояние.

До того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного электрода на другой.

Заряды вырабатывались, используя один из двух механизмов:

• Электростатическую индукцию
• Трибоэлектрический эффект, при котором электрический заряд возникал из-за механического контакта двух диэлектриков

По причине низкой эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности масштабах. Примерами доживших до наших дней машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа.

Принцип работы любого электрического генератора

Принцип работы любого электрического генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция преобразовывает механическую энергию двигателя (вращение0 в энергию электрическую. Принцип магнитной индукции: если в однородном магнитном поле В равномерно вращается рамка, то в ней возникает, переменная Э.Д.С., частота которой равна частоте вращения рамки. Будем ли мы вращать рамку в магнитном поле, или магнитное поле вокруг рамки, либо магнитное поле внутри рамки, результат будет один — Э.Д.С., изменяющаяся по гармоническому закону.

Вот теперь и поговорим о асинхронном и синхронном генераторе более подробно.

Синхронный электрогенератор

Синхронный электрогенератор — это синхронная машина, работающая в режиме генератора в которой частота вращения магнитного поля статора равна частоте вращения ротора. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. В синхронном генераторе ротор выполнен виде постоянного магнита или электромагнита.

Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но кратно двум. В бытовых электростанциях используется, как правило, ротор с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения двигателя электростанции 3000 об/мин. Ротор, при запуске электростанции, создает слабое магнитное поле, но с увеличением оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля. Например, подключенная индуктивная нагрузка размагничивает генератор и снижает напряжение, а при подключении емкостной нагрузки происходит подмагничивание генератора и повышение напряжения. Это называется «реакцией якоря».

Для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо изменять магнитное поле ротора путем регулирования тока в его обмотке, что и обеспечивается блоком AVR. Преимуществом таких генераторов является высокая стабильность выходного напряжения, а недостатком — возможность перегрузки по току, так как при завышенной нагрузке, регулятор может чрезмерно повысить ток в обмотке ротора. Еще к недостаткам синхронного генератора можно отнести наличие щеточного узла, который рано или поздно придется обслуживать. Благодаря такому способу регулировки, вне зависимости от изменения тока нагрузки и оборотов двигателя электростанции стабильность выходного напряжения генератора остается очень высокой, примерно ±1%.

Асинхронный электрогенератор

Асинхронный электрогенератор — асинхронная машина (двигатель) работающая в режиме торможения, ротор которой вращается с опережением, но в том же направлении что и магнитное поле статора. В зависимости от типа обмотки, ротор может быть короткозамкнутым либо фазным.

Вращающееся магнитное поле, созданное вспомогательной обмоткой статора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке статора, так же как и в синхронном генераторе. Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не регулируемо, вследствие чего напряжение и частота на выходе генератора зависит от частоты оборотов ротора, а следовательно от стабильности работы двигателя электростанции.

Несмотря на простоту обслуживания, малую чувствительность к короткому замыканию и невысокую стоимость, асинхронные генераторы применяются достаточно редко, так как имеются ряд недостатков: асинхронный генератор всегда потребляет намагничивающий ток значительной силы, поэтому для его работы необходим источник реактивной мощности (конденсаторы), зависящий от активно-индуктивного характера нагрузки; ненадежность работы в экстремальных условиях; возбуждение асинхронного генератора зависит от случайных факторов и происходит, как правило, при скорости превышающей или равной синхронной; зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя и т.д.

Устройство генератора

Основными частями любого генератора являются: система магнитов (или, чаще всего, электромагнитов), создающих магнитное поле, и система проводников, пересекающих это магнитное поле. При пропускании магнитного поля через катушку магнитный поток принудит свободные электроны сместиться на концы проводника. Подобное смещение отрицательно заряженных частиц становится источником возникновения электродвижущей силы — ЭДС (напряжение). В результате у генератора при вращении его оси идёт постоянное воздействие магнитного потока на обмотки, на которых и возникает ЭДС.

Составные части генератора:

• коллектор,
• щетки,
• магнитные полюса,
• витки,
• вал,
• якорь.

Принцип действия генератора

Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции, когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые линии, индуктируется ЭДС. Следовательно, такой проводник можно использовать как источник электрической энергии.

Виды генераторов

• электрогенераторы,
• бензогенераторы,
• дизельгенераторы,
• инверторные генераторы.

Применение

Генераторы используются во многих сферах жизнедеятельности и производства, при различных условиях. Бензогенераторы незаменимы в случае отключения электричества в небольших загородных домах и дачах. Кроме того, их удобно применять в тех местах, где нет электроэнергии (отдаленные районы, горы, леса). Дизельные генераторы применяется в качестве основного или резервного источника электропитания. Инверторные генераторы незаменимы как источник дополнительного питания для электронного оборудования. Такие электростанции исспользуются организациями, использующими различную электронную технику.